Показники Період дослід-жень Варіанти споруд
Без споруд Пере-мички Вали-тераси Вали-канави
Кон-турні Контурно-паралельні
Змив грунту 1 9,75 - 1,35 2,84 8,45
2 4,5 4,3 2,7 - -
Акумуляція грунту в ставочках 1 0 - 1,35 2,67 4,62
2 0 1,7 1,8 - -
Відчуження грунту за межі поля 1 9,75 0 0,17 3,83
2 4,5 2,2 0,9 - -
Найбільш яскраво ефективність перемичок в улоговинах виявилася при талому стоці 10% забезпеченості в 1996 році, коли в частині улоговин на ділянці спостерігався значний транзитний стік з вищерозташованого водозбору довжиною 1200 м. На водозборах улоговин, які ніяк не були захищеними від транзитного стоку, втрати грунту в середньому становили 13,5 м3/га (агрофон – смугове розміщення полицевої оранки та необробленої стерні гречки). Протиерозійні споруди не запобігли наднормативному змиву, але виявили високий акумулюючий ефект і зменшили до припустимого рівня відчуження грунту з поля. Перемички акумулювали у своїх ставочках 71% змитого грунту, вали-тераси - 86%. В улоговинах, які були ізольовані від вищерозташованого водозбору стокорегулюючою лісосмугою, втрати грунту були найменшими, не перевищували 0,57м3/га. Таким чином, важливою умовою захисту грунтів є неприпустимість скидання великого транзитного стоку на поле
Навіть у маловодні роки на польових дорогах уздовж багатьох лісових смуг внаслідок танення снігових шлейфів формувались потоки води, виникали розмоїни. Майже на всіх дорогах у ДГ через кожні 20-50 м вимірювалися ширина розмоїн та їх глибина в 5-10 точках поперечного перезрізу, підраховувалась їх площа. Математико-статистичний обробіток даних показав, що в найбільшій мірі на ерозійний процес впливають похил і площа дороги , площа та середній похил водозбору .
Отже, щоб запобігти ушкодженню доріг, треба розміщувати їх з найменшим похилом та уникати значного навантаження водозбірною площею.
4. МЕЛІОРАТИВНА ЕФЕКТИВНІСТЬ ЗАХОДІВ ПОСТІЙНОЇ ДІЇ
Меліоративний та протидефляційний ефекти системи лісових смуг залежать від ступеня зниження швидкості вітру. Інтегруючим показником, що характеризує вплив лісосмуг на вітер, є “сумарний вітрозахист” - середній відсоток зниження швидкості до відстані 30Н. В існуючих формулах визначення захищеності полів лісосмугами не враховується зміна їх ажурності при зміні куту підходу вітру. Тому, на основі графіків Я.О.Смалько (1963) та власного методичного підходу ми розрахували номограму сумарного вітрозахисту за лісосмугами в залежності від ступеня їх ажурності у фронтальному напрямку та куту підходу вітру (рис. 5).
В ході досліджень був розроблений метод визначення ступеня ажурності лісових смуг за фотознімками, захищений авторським свідоцтвом № 1724091.
Рис. 5. Номограма визначенняґ сумарного вітрозахисту в залежності від
ажурності лісових смуг (А, %) і куту підходу до них вітру (?, град)
Середня ширина зони впливу лісових смуг на перерозподіл снігового покриву в дослідах була кратною 14,5-16,5 Н (5,8-6,6Н вгору та 7,9-10,7Н униз по схилу, де Н – висота лісосмуги). Середня висота снігу в цій зоні була на 6,7 см більшою, ніж у відкритому полі. Зі снігом додатково накопичувалось 16-18 мм вологи. Ширина зони шлейфів від валів-канав складала 14,1 м. Додаткове накопичення снігової вологи в ній дорівнювало 7,1 мм. Зберігання вологи у відкритих полях дорівнює 60,5%, а в системі лісосмуг і валів-канав - 86,7%.
Достовірна ширина зони впливу валів-канав на вологозапаси метрового шару грунту в досліді №3 в середньому складала 10,4 м, додаткове накопичення вологи в ній - 22,4 мм. Лісові смуги накопичували в середньому 21,1 мм у зоні шириною 52 м. Система лісосмуг та валів-канав підвищувала запас вологи на 15 мм в середньому на всьому полі.
5. МАТЕМАТИКО-СТАТИСТИЧНІ МОДЕЛІ ВТРАТ ГРУНТУ ВІД ЕРОЗІЇ НА СХИЛАХ З УЛОГОВИНАМИ ТА ПРОГНОЗУВАННЯ
ГРУНТОЗАХИСНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ ПРОТИЕРОЗІЙНИХ СПОРУД
За допомогою компўютерної програми "Фактор" проаналізовано звўязок втрат грунту у всі періоди стоку з одиниці довжини тальвегу улоговин (V, м3/м пог) дослідної ділянки № 4 з різними характеристиками їх водозборів. Площа поперечного перерізу розмоїн в улоговинах вимірювалася через кожні 10 м.
Головними показниками, від яких залежить розмір втрат грунту, виявились чотири, поєднані такою математико-статистичною моделлю :
V = Аf0,68It1,20t0,37Lр0,096 (1)
де A - коефіцієнт розмірності та впливу гідрометеорологічних, грунтових, агротехнічних, рослинних та інших умов року; f - площа частини водозбору улоговини, що розташована вище того чи іншого поперечного створу, що збігається з перерізом розмоїни , га; It - середньозважена за довжиною водозбору крутість тальвегу, град; t - вторинний похил (крутизна схилів водозбору улоговини в нап-рямку до тальвегу, середньозважена за довжиною та шириною водозбору улоговини, град); Lр - довжина розбігу потоку, м (відстань від ізолюючої або гальмуючої перешкоди, тобто від споруди, яка не була здатною істотно вплинути на розмір стоку, а тільки загачувала тимчасові ставочки). Інтервали варіювання цих факторів на водозборі такі: f = 0,05-3,0 га; It = 1,9-3,5°; t = 0,4-2,4°; Lр = 10-280 м.
Рівняння втрат грунту для періодів талого і зливового стоку виявилися досить схожими між собою, що свідчить про універсальність отриманої залежності.
Середні втрати грунту (Vс м3/га) з водозбору можна знайти за формулою:
Vс = 0,54 AB-0,32L0,68It1,2t0,37Lр0,096 (2)
де L - повна довжина улоговини або (для змінних показників) її довжина від вододілу до плинного створу; В - середня ширина усього водозбору улоговини або його частини, що відсікається даним поперечним створом;
Отримані формули є схожими з традиційними формулами схилової ерозії , бо містять коефіцієнти впливу довжини та крутості схилу, але відрізняються від них наявністю коефіцієнту впливу вторинного похилу водозбору улоговини. Втрати грунту залежать також від ширини водозборів улоговин та відстані між ними, тобто збільшуються при зростанні розчленованості схилів улоговинами.
Такі ж розрахунки були виконані для водозбору №1, де є 12 улоговин довжиною до 3,6 км, з площею водозбору до 87 га, крутістю тальвегу 1ё2,5°, вторинним похилом до 1,4°. Формули залежності втрат грунту при талому стоці від площі водозбору, крутості тальвегу на двох досить відмінних водозборах виявилися дуже близькими між собою за значенням показників ступеня при f (0,54 і 0,59) та t (1,13 і 1,16). Цей факт ще раз переконує в універсальності моделі.
Отримані результати дозволяють більш точно порівнювати результати вивчення впливу різних факторів на змив грунту на водозборах, що відрізняються параметрами улоговинної мережі. Формула приведення втрат грунту в умовах будь-якого варіанту до умов контрольної ділянки має вигляд : Vпрi = Vi · Кгму ,
де Кгму - коефіцієнт приведення : Кгму = (LкBк/LіBі)0,68 · (Itк/Itі)1,2· (tк/tі)0,37·(li/lk)
Li та Lk - довжина схилу; Ві та Вк - середня ширина водозборів улоговин;
Iti та Itk - середній похил тальвегу улоговин, ti та tk - вторинний ухил їх водозборів;
li та lк - відстань між улоговинами на кожному з варіантів та на контролі.
Розроблено формулу коефіцієнта зменшення втрат грунту в системі ЗПД в залежності від їх конструкції, розмірів та розміщення на схилових землях.
6. ОСОБЛИВОСТІ ГРУНТОВОГО ПРОФІЛЮ НА СХИЛОВИХ ЗЕМЛЯХ І ЗАКОНОМІРНОСТІ ПАРАМЕТРІВ УЛОГОВИН
Вивчення грунтового профілю у 210 розрізах в улоговинах ДГ показало, що потужність гумусового горизонту на їх дні, як правило, більша, ніж на вододілах між ними. Часто спостерігаються випадки поховання гумусового шару на дні улоговини під шаром делювію, ідентичного покриву її схилів. Останні, навпаки, часто бувають позбавлені гумусового шару, а іноді й верхнього перехідного горизонту (рис.6а). Глибина грунтового профілю на дні улоговин може досягати 170 см і більше. Зміни грунтового профілю по довжині однієї з улоговин водозбору 1 показані на рис.6б.
Рис.6. Зміна будови грунтового профілю в улоговинах: а) в поперечному напрям-ку (дослід № 4, 1350 м від вододілу); б) вздовж тальвегу (водозбір №1)
Якщо на вододілах між улоговинами та в їхніх верхів'ях переважають чорноземи малопотужні слабоеродовані, то в нижніх частинах деяких улоговин під шаром делювію потужністю до 70 см сформувалися луговато-чорноземні середньопотужні та потужні грунти. Сумарну потужність (Н) делювіальних відкладень, гумусового та верхнього перехідного горизонтів на дні улоговин водозбору №1 можна виразити рівнянням (? = 0,73):
Н = (0,48 + 0,059h3)(1,123 - 4710It3),
де h - глибина улоговини; It - локальний похил її тальвегу (рис. 7).
З урахуванням активного ерозійного процесу на дні улоговин, вищеозначені явища свідчать про наявність не менш інтенсивної водної та механіко-технологічної ерозії на водозборах улоговин і не можуть пояснюватися лише нерозвиненістю грунтів на схилових землях.
Рис.7. Залежність сумарної потужності делювію, гумусового та верхнього
перехідного горизонтів на дні улоговин в натуральному (Н, м) та коефі-
цієнтному вигляді (Kit) від їх глибини (h, м) та крутизни тальвегу (It).
Нами розроблено дві комп'ютерні програми, які дозволяють за морфометричними показниками, вимірюваними на плані з горизонталями, розраховувати основні параметри водозборів з улоговинами: середній та локальний похил схилу (Iсх та Iл), середню глибину та ширину водозборів окремих улоговин (hл та bл), вторинний похил водозборів (tл), відстань між улоговинами (Lл), частку площі їх водозборів від загальної площі схилу (Dл), а також запропонований нами показник Крп, що характеризує поперечну форму схилу та дорівнює радіусу кривизни горизонталей R,м у ступені -1. Для опуклих схилів Крп > 0, для увігнутих Крп < 0.
За допомогою програми "Фактор" ми проаналізували 115 ділянок у чотирьох господарствах Луганської області, що за грунтовим покривом та материнською породою є типовими для Північного степу. В межах цих ділянок на відстані 100-300 м від вододілу були намічені контури - лінії, що проходять по горизонталях з випрямленням в улоговинах. Для контурів розрахували вищеозначені показники, а також Ул - середньозважений похил вздовж контуру, обумовлений його перетинанням з улоговинами. Для ділянок були розраховані, зокрема, такі запропоновані нами показники: середня непаралельність контурів (тангенс куту розходження найвищого та найнижчого з контурів); середньозважений похил трас контурно-паралельних рубежів, обумовлений непаралельністю контурів; середньозважений похил контурів, обумовлений їх перетинанням з улоговинами.
Грунтові характеристики контурів та ділянок були закодовані за допомогою трьох рангових критеріїв: підстилаюча порода (Кпп=2-4); еродованість грунтів (Ке = 1-4); гранулометричний склад грунтів ( Кгр = 1-5).
Зв'язок параметрів улоговин та їх мережі з факторами рельєфу та грунтового покриву з задовільною точністю (з = 0,52-0,71) характеризують багатофакторні рівняння, деякі з яких показані у таблиці 5. Вони мають такий загальний вигляд : У = У1У2 .. Уn, де У - фактор, що вивчається; Уi=fi(Xi) - рівняння-множники, що утримують незалежні перемінні Xi (фактори рельєфу та грунтового покриву), розташовані у порядку зменшення їх впливу на У.
Визначено інтервали найбільш вірогідних параметрів улоговин для будь-яких еколого-технологічних груп земель (ЕТГ) у залежності від інтервалів довжини схилів, форми їх поперечного профілю та експозиції (табл. 6).
Таблиця 5
Параметри математичних моделей улоговинної мережі.
№ пч Хі Рівняння функції Параметри з
А B C
У – глибина улоговин ( hл )
1 Lств У1 = а + bX + cX2 0,34 0,00039 -4,5*10-8 0,52
2 Iл У2 = a + bXс 0,89 520 3
3 Крп У3 = а + bX + cX2 1,00 68,8 2600
4 Kп У4 = a + bXс 1,11 -2,06 -4
5 Kпп У5 = а + bX + cX2 1,21 -0,166 0,018
У – ширина улоговин ( bл )
1 Iл У1 = а + bX + cX2 209 -3000 0,000137 0,55
2 Крп У2 = а + bX + cX2 1,05 9,23 -0,000105
3 Lств У3 = а + bX + cX2 0,87 0,000264 -7,26*10-8
У – крутість схилів улоговин ( tл )
1 Iл У1 = а + bX + cX2 0,0024 0,2 -0,41 0,71
2 Крп У2 = а + bX + cX2 0,94 -97,6 8380
3 Lств У3 = a + bX 0,70 0,00045
Таблиця 6
Найбільш вірогідні параметри улоговинної мережі на різних ЕТГ
№ ЕТГ, крутість схилу Довжина схилу, м Поперечна форма схилу Параметри улоговинної мережі
Глибина улоговин, м Крутість їх схилів Відстань між ними, м Ширина їх водозборів, м
І (1-3°) 100-500 1-3* 0,3-0,55
500-1000 0,5-0,65
1000-1500 0,6-0,75
100-1500 1 0,007-0,018 100-200 85-170
2 0,005-0,012 150-260 110-185
3 0,004-0,010 190-320 110-190
ІІ (3-5°) 100-500 1-3 0,3-0,65
500-1000 0,55-0,85
1000-1500 0,70-1,00
100-1500 1 0,012-0,023 70-150 60-125
2 0,010-0,018 110-180 75-130
3 0,008-0,014 130-225 80-135
ІІІ (5-7°) 500-1000 1-3 0,7-1,2
1 0,018-0,030 60-90 50-75
2 0,014-0,020 90-130 65-90
3 0,011-0,018 115-150 75-95
Примітка: *1 - увігнуті схили, радіус кривизни горизонталей R = 250 ё 1000 м;
2 - прямі схили, R >1000 м, <-1000 м; 3 - опуклі схили, R = -250 ё -1000 м .
Розроблено номограми середньої глибини улоговин, відстані між ними, середньовиваженого похилу контурів, частки водозборів улоговин та їх вторинного похилу.
Аналіз даних свідчить, що поява перших улоговин на схилах починається при крутості 0,5 - 1,0°, на відстані 100-150 м від вододілу. Масово вони з'являються при крутості 1 - 2°, а в межах першої ЕТГ земель (0-3°) беруть початок 70% всіх улоговин.
Середній похил трас контурно-паралельних рубежів, обумовлений непаралельністю горизонталей, у середньому за всіма водозборами дорівнює 0,33°. Улоговини зумовлюють похил трас, який у середньому дорівнює 0,54°. Сумарний похил трас у середньому може досягати 0,9°.
На основі грунтових карт господарств було проаналізовано зв'язок коефіцієнту еродованості грунтів Кер (за Г.А. Чуяном, 1972) з геоморфологічними та грунтовими факторами :
Кер = 0,96(10,67Iл0,02 - 8,74)(2,57L0,02 - 1,92) Kn Kexp
де Iл - локальна крутість схилу; L - відстань від вододілу, м; Kn - коефіцієнт гранулометричного складу грунту; Kexp - коефіцієнт експозиції схилу.
Для північних схилів Kexp =1, східних - 1,04; південних - 1,06; західних - 1,07.
Для глинистих грунтів Кп = 0,93; важкосуглинистих - 1,075; середньосуглинистих - 1,085; піщано-суглинистих - 0,97.
Найбільшою мірою на еродованість грунтів впливає локальна крутість схилу. Довжина схилу найбільш впливає на еродованість в інтервалі до 500 м, далі її вплив послабляється. Цей факт пояснюється тим, що у зв'язку з наявністю улоговин фактична довжина путі талої та зливової води до ділянки місцевості, що вивчається, не завжди дорівнює довжині схилу від вододілу. В результаті математичного аналізу даних вимірювання ліній стоку на плані дослідного водозбору № 1 ми визначили, що реальна довжина путі стоку в розпиленому стані (Lr, м) мало корелює з відстанню від вододілу, але може бути вираженою таким рівнянням (з=0,79) :
Lr = -152 + 38,1t-0,5, або Lr = (177 + 41,4h-1,5)(37В0,02-40)
де t - тангенс куту похилу схилів водозбору улоговини убік до тальвегу;
h - глибина улоговини (перевищення бокових вододілів водозбору улоговини над її тальвегом), м; В - ширина водозбору улоговини, м;
B залежності від цих показників довжина лінії схилового стоку на водозборі крутістю 2-2,5° варіює від 70 до 630 м, а її середнє значення дорівнює 250 м. Це означає, що при розміщенні лінійних рубежів, наприклад лісових смуг, більш ніж через 250 м, 60-100% стоку з міжсмугового простору досягає рубежу у вигляді сконцентрованого потоку на дні улоговини. Тому лінійна ерозія на довгих схилах стає набагато небезпечнішою, ніж площинна струмінна.
Поряд із існуючим зонуванням схилових земель за розміром їх похилу ми пропонуємо додаткове зонування за належністю до тієї чи іншої частини водозборів улоговин. До зони № 1 належать плоскі вододіли між водозборами улоговин. Стік в ній просувається вниз по схилу в струмінному стані, стокове навантаження рівномірно розподіляється по довжині споруд, а ерозійні процеси відбуваються порівняно рідко - при великому стоці, або значній довжині чи крутості схилу, а також при обробітку грунту та сівбі вздовж схилу.
Зона № 2 - це водозбори улоговин від їх вододілів до брівок. Через наявність вторинного похилу стік тяжіє до улоговин, тому довжина ліній стоку скорочується, а стокове навантаження на споруди стає нерівномірним.
Зона № 3 - це схили улоговин від їх брівок до дна. Похил рубежів сягає 2-3°. Довжина ліній стоку дуже скорочується, їх напрямок залежить від крутості схилів улоговин і при вираженому нанорельєфі може співпадати з напрямком обробітку грунту, викликаючи його активний змив.
Зона № 4 – це дно улоговин. Стокове навантаження на рубежі тут багаторазово посилюється внаслідок концентрації стоку вздовж тальвегу .
7. ПРИНЦИПИ ВИКОРИСТАННЯ І РОЗМІЩЕННЯ ЗАХОДІВ ПОСТІЙНОЇ ДІЇ В АГРОЛАНДШАФТІ
Проектування системи заходів постійної дії в агроландшафтах передбачає вибір їх типу, розмірів, відстані між ними. Одним із найбільш відомих принципів визначення останньої є розміщення ЗПД там, де змив грунту досягає критичного рівня (Г.П.Сурмач , 1979). Але змив залежить від розміру стоку, який в багаторічному аспекті варіює в дуже широких межах, тому при розрахунках відстані між ЗПД беруть таку забезпеченість стоку, при якій змив дорівнює середньобагаторічному значенню. Іншим принциповим питанням є вибір забезпеченості стоку, що підлягає зарегулюванню конкретними ЗПД, бо від неї залежить їх розмір і вартість. Більшість рекомендацій пропонують зарегулювання стоку 10% забезпеченості. Однак, на наш погляд, цей норматив не є достатньо обгрунтованим. Нами розроблено алгоритм визначення забезпеченості стоку, який мають зарегульовувати земляні споруди. Він базується на формулах Г.П.Сурмача (1987), які при спрощенні мають такий вигляд:
W = АFnLpyi (3)
де W - розмір змиву на відстані L від вододілу, т/га; F – крутизна схилу на відстані L; n і p- показники ступеня при F і L; y - стік талих або дощових вод заданої забезпеченості, мм; і - показник ступеня при у; А - умовний коефіцієнт, який дорівнює добутку коефіцієнтів впливу усіх інших факторів.
Шар стоку визначають за формулою : у = укКр% ;
де yк - середні шари стоку талих вод з зябу та ущільненої ріллі, або шар стоку дощових вод 1% забезпеченості, які визначають за картами ізоліній;
Кр% - табличні коефіцієнти переходу до розрахункової забезпеченості .
Визначення оптимального рівня зарегулювання річного талого стоку можна вважати задачею вибору таких розмірів споруд і відстані між ними, які забезпечують стримування середньобагаторічного змиву при мінімальних витратах коштів. Питомі витрати коштів на будівництво системи ГС (Куд в , грн/га) можна обчислити по відношенню вартості одиниці довжини споруд до відстані між ними.
В результаті математичних перетворень визначили, що
Куд в = Кст з уср(Кр%/Кзар)Кзв104 , або Куд в = Кст з усрjКзв104 (4)
де Кст з - вартість одиниці об'єму насипної частини споруди; уср – середньо-багаторічний стік ; Кр%- модульний коефіцієнт стоку із забезпеченістю р%.
Кзв - коефіцієнт відношення об'єму насипу до об'єму ставочку.
Кзар- коефіцієнт зарегулювання середньобагаторічного стоку .
Вирішення задачі мінімізації функції 4 здійснюється на основі зв'язку її множників із забезпеченістю. На рис. 8 показані графіки залежності Кзв, функції j та Куд в від різної розрахункової забезпеченості р% шару стоку з зябу, що підлягає зарегулюванню, для валів-терас з коефіцієнтами сухого та мокрого укосів m1 = 2, m2 = m3 = 8 на схилі крутістю 3° при уср = 15 мм, максимально допустимій відстані між рубежами 200 м .
Рис. 8. Графіки оптимізаційних функцій забезпеченості стоку j (1), Кзв (2)
та їх добутку Куд в = jКзв (3).
При зростанні р% Кзв збільшується, а j зменшується, але їх добуток має мінімум при певній забезпеченості, яка і буде оптимальною в даному випадку.
Поздовжній похил трас рубежів понижує ефективну ємність їх ставочків. Найбільшою мірою вона зменшується в улоговинах, де до того ж багаторазово збільшується стокове навантаження на рубежі внаслідок концентрації стоку. Тому при розрахунках параметрів ГС необхідно враховувати коефіцієнт Кє, який є відношенням ємностей ставочків на похилій та горизонтальній ділянках траси, за допомогою розробленої нами формули. З урахуванням зменшення ємності ставочків та додаткового об'єму робіт, пов'язаних зі створенням в них перемичок, формула коефіцієнту Кзв набуває вигляд:
Кзв= (Vн + Vпер/Lпер)/ VстКє ;
де Vн та Vпер – об'єм земляних робіт при будівництві споруди (м3/м) та однієї перемички (м3), Lпер - відстань між поперечними перемичками в ставочці , м.
Для полегшення користування формулами складені номограми, за якими можна визначити Кє та Кзв при відомому похилі траси, робочій глибині ставочку, відстані між перемичками, крутості схилу. Розроблено формули і номограми розрахунку Кзв в залежності від висоти валів, ширини виїмок, коефіцієнтів укосів виїмок і валів для різних типів споруд.
Принципово важливим, але недостатньо обгрунтованим є питання, за яким саме стоком має виконуватися розрахунок системи ЗПД - зливовим або талим. В різних регіонах їх розмір істотно варіює. Тривалість зливи вимірюється десятками хвилин, а танення снігу - годинами, тому інтенсивність зливового стоку значно вища, але при талому погіршується водопоглинання в грунт. Врахувати ці протиріччя можна за допомогою розробленої нами формули рівноцінного функціонування гідроспоруд при талому і зливовому стоках.
8. ПІДВИЩЕННЯ СТОКОРЕГУЛЮЮЧОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ
ГРУНТООХОРОННИХ ЗАХОДІВ ПОСТІЙНОЇ ДІЇ ТА ТЕХНОЛОГІЧНІ ПРИЙОМИ ЇХ СТВОРЕННЯ
Зменшення водопоглинаючої здатності гідроспоруд на похилих ділянках їх траси вимагає улаштування в них великої кількості перемичок, що приводить до подорожчання будівництва, а в ставочках валів-терас, крім того, ускладнює обробіток грунту. Тому необхідно використовувати й інші заходи. Нами розроблено спосіб створення стокорегулюючих лісових смуг (авт. св. СРСР № 1575956), який передбачає будівництво ще до посадки в їх міжряддях валів-канав з поперечними перемичками та відрізняється тим, що перед посадкой саджанців уверх та униз по схилу від канави нарізують щілини, заповнюють їх органічним матеріалом, вздовж валів-канав вище і нижче по схилу нарізують спарені кротовини, а саджанці деревинних порід висаджують проміж кротовинами.
Для підвищення водопоглинаючої здатності ГС в улоговинах розроблено спосіб, який включає віялоподібне кротування схилів улоговини від притальвежної ділянки валу, в межах якої формується ставочок, але відрізняється розміщенням вала в межах улоговини вище канави (авт. св. № 1771545), що дозволяє комбінувати кротування з підсипкою вала та влаштовувати водоскидні пройоми .
Запропоновано енергозберігаючу технологію будівництва протиерозійних валів (патент України № 30243 А), суть якої полягає в тому, що спочатку на дні улоговин упоперек їх тальвегів створюють земляні перемички (загати) висотою 30-50 см, а далі періодично, по мірі замулення ставочків, висоту перемичок збільшують шляхом приоранки намулу до гребеня споруд в процесі обробітку грунту. Довжину перемичок визначають з вимоги недопущення переливу води через їх гребені. На останньому етапі доводять висоту ГС до проектного розміру, а довжину до поєднання окремих перемичок у єдиний вал.
Як показали дослідження в досліді № 4, тільки за 1994-1996 рр. висота намулу в ставочках перемичок досягла 40-45 см. Швидкість замулення є індикатором інтенсивності ерозійних процесів та визначає послідовність подальшого впровадження ЗПД. Створення перемичок вимагає капітальних витрат, вартість якїх у 10-40 разів менша, ніж будівництво валів одразу на всю їх проектну висоту та довжину. Тому вони можуть бути створені силами самого господарства за один-два сезони на всіх ерозійно-небезпечних землях.
Запропоновано концепцію захисту схилових земель від ерозії заходами постійної дії , яка полягає у диференційованому використанні цих заходів за критерієм паралельності горизонталей та в поетапному їх впровадженні з урахуванням поперечносхилової диференціації. Згідно з концепцією в зоні 1 споруди можна розраховувати на затримання стоку. В зоні 2 ємність ГС зменшується. Її можна частково компенсувати за допомогою перемичок, але для затримання стоку необхідно збільшувати розмір споруд, або використовувати кротування. В зонах 3-4 затримання стоку дуже ускладнюється, тому тут зовсім не слід створювати ГС, а краще скористатися перемичками на дні улоговин. Вони сприятимуть помітному зменшенню втрат грунту на значній території, а формування більш капітальних споруд стане елементом технологічних процесів землеробства.
9. ЕКОЛОГО – ЕКОНОМІЧНА ЕФЕКТИВНІСТЬ ЗАХОДІВ ПОСТІЙНОЇ ДІЇ
Розрахунок економічної ефективності (табл. 7) різних протиерозійних споруд в середньому за п'ять років (1987-1991) та стокорегулюючої лісової смуги (без вартості вала-траншеї) в середньому за шість років з 1988 по 1999 рр. показав, що при використанні валів-терас, контурних та контурно-паралельних валів-канав за рахунок підвищення урожайності на кожний карбованець додаткових прямих витрат отримано відповідно 2.9, 4.8 та 4.9 крб. чистого прибутку. (в цынах до 1990 року). Ефективність кожного карбованця капітальних вкладень у створення лісової смуги при її висоті 8,0 м дорівнює 0,88 крб чистого прибутку щорічно. Строк відшкодовування капітальних витрат на створення валів-канав не перевищує року, валів-терас – двох років. Однак фактична ефективність ЗПД є більш наявною, якщо врахувати ще їх екологічний ефект.
Повний та чистий екологічні ефекти розраховано за формулами :
Епе = СтпПп, грн/га, Ече = СтчПп, грн/га, де Пп – відвернуті втрати грунту, т/га; Стп та Стч – відновлювальна вартість 1 т грунту відповідно у приведених витратах та умовно чистому прибутку, грн. (В.Л.Дмитрено, 1992),
Приведені витрати на відновлення річних втрат грунту від водної ерозії та річні втрати чистого прибутку розраховано за методикою Інституту охорони грунтів (1985) за кількістю та ціною органічних і мінеральних добрив, що необхідні для компенсації повного річного збитку від ерозії, з урахуванням витрат, пов'язаних з їх придбанням, транспортуванням, зберіганням та внесенням у грунт.
Була розрахована порівняльна екологічність грунтозахисних заходів постійної дії. Для цього норматив приведених витрат на відновлення 1 т грунту розділили на частку від ділення приведених витрат на грунтозахисний захід на масу відвернених втрат грунту. Таке ділення показує, у скільки разів витрати на профілактику ерозії вигідніше ніж компенсація втрат грунту від неї. Найбільш високу екологічність мають перемички в улоговинах, вона в шість разів перевищує екологічність валів-терас.
Зідно з методикою ресурсно-екологічної оцінки ефективності землеробства на біоенергетичній основі, розробленою у Всеросійському НДІ землеробства та захисту грунтів від ерозії (1999), зроблено еколого-енергетичну оцінку запобіжених втрат грунту.
Таблиця 7
Еколого-економічний ефект від використання протиерозійних споруд (на 1 га)
Показники Контурно-паралельні вали-канави Вали-тераси Контурні-вали-канави
Запобіжені річні втрати грунту від ерозії, т 6,2 9,8 9,6
Повний екологічний ефект , крб. 27,9 44,1 43,2
Чистий екологічний ефект, крб. 5,8 9,2 9,0
Повний еколого-економічний ефект, крб. 69,2 82,8 87,2
Чистий еколого-економічний ефект, крб. 44,9 42,0 50,4
Порівняльна екологічність 12,9 7,6 16,8
ВИСНОВКИ
У дисертації наведене теоретичне узагальнення наукової проблеми запобігання деградації грунтового покриву сільськогосподарських ландшафтів внаслідок водної ерозії, що виявляється у зменшенні потужності гумусованого профілю та погіршенні агрохімічних і водно-фізичних властивостей грунтів, і нове її вирішення за допомогою систем удосконалених грунтоохоронних заходів постійної дії, проектування і впровадження яких здійснюється на основі поглиблених знань про закономірності будови грунтового покриву і ерозійно-акумулятивного процесу на схилових землях, нові принципи його регулювання, ресурсозбереження. В результаті проведених досліджень сформульовано наступні висновки:
1. Водна ерозія в східній частині Північного Степу України є гострою проблемою, без вирішення якої неможливо вести стале землеробство. За 15 років досліджень помітні ерозійні процеси відбувалися 13 разів, тобто майже щорічно. Максимальні зафіксовані втрати грунту від злив дорівнювали 295 т/га, а від талого стоку – 44 т/га. Втрати енергетичного потенціалу грунту – 328,8 та 48,9 ГДж, що становить 710 та 106 % від річних витрат непоновлюваної антропогенної і матеріалізованої енергії на вирощування озимої пшениці на 1 га.
Активній водній ерозії сприяють низька протиерозійна облаштованість агроландшафтів лісовими смугами та іншими заходами постійної дії, які б сприяли регулюванню водних потоків і запобігали вздовжсхиловому обробітку грунту та сівбі. Виведення з ріллі схилів з похилом понад 3° не вирішить повністю проблему ерозії, бо вона активно проявляється й на схилах вже понад 1°, які в зоні досліджень складають 75% від площі сільськогосподарських угідь.
2. Ступінь реалізації ерозійної небезпеки на схилових землях залежить не тільки від основних характеристик рельєфу - похилу і довжини схилу, але й від мікрорельєфу – поперечної хвилястості, обумовленої наявністю улоговин. Улоговини є поширеним явищем на схилових землях, починаючи з похилу 0,5-1° та з відстані 100-200 м від вододілу. При слабкій захисній дії рослинності та при розпушеності грунту ерозія дна улоговин (руслова ерозія) може виникати вже при шарі зливових опадів 25-30 мм, що відповідає їх 100% забезпеченості, тобто щорічно. Для проявлення ерозії поза улоговинами (схилова ерозія) потрібні опади меншої забезпеченості - не більше 40% при вздовжсхиловому обробітку грунту та не більше 10-15% при контурно-паралельній організації території. При зливових опадах 1% забезпеченості спостерігається масове проявлення схилової ерозії на просапних та озимих культурах, однак поперечний напрямок сівби та обробітку грунту зменшує схилову ерозію у 2,4-4 рази .
3. Контурно-паралельний напрямок обробітку грунту та сівби є гарантом відсутності ерозії поза улоговинами не тільки при зливових опадах, але й при талому стоці забезпеченістю не нижче 10%. Вздовжсхиловий обробіток та сівба знижували рівень ерозійно небезпечного стоку в польовій сівозміні до 6 мм, що відповідає забезпеченості 80%. Тому стокорегулюючі лісові смуги, протиерозійні гідротехнічні споруди та інші лінійні рубежі, що закріплюють в просторі та часі контурно-меліоративну організацію території, є незамінним фактором підвищення протиерозійної стійкості агроландшафту.
4. Грунтозахисна ефективність ЗПД значною мірою залежить від їхньої здатності створювати ізолюючий ефект, тобто захищати нижчерозташований схил від надходження транзитного стоку, тому використання стокорегулюючих лісових смуг без гідротехнічного посилення не забезпечує істотного зниження розмиву в улоговинах. Недостатньо захищають грунт в улоговинах і контурно-паралельні лісові смуги з гідротехнічним підсиленням у вигляді валів-канав із постійною висотою вала, або такі ж гідроспоруди при самостійному використанні. Найбільш ефективними є споруди з постійною позначкою гребеня валу – контурні вали-канави та контурно-паралельні вали-тераси зі змінною висотою валу. Створюючи ізолюючий ефект, вони зменшують змив грунту в улоговинах у 2,5-5 разів.
5. Важливою особливістю ЗПД є здатність акумулювати продукти ерозії у своїх ставочках. Перед лісовими смугами без ГС в улоговинах залишається до 36% змитого грунту, а гідроспоруди затримують від 50 до 100% змитого грунту. Використання здатності ЗПД активізувати акумулятивну складову єдиного ерозійно-акумулятивного процесу (ЕАП) є компромісним варіантом зменшення втрат грунту з угідь. З метою ресурсо- та енергозбереження доцільно використовувати альтернативний вид гідроспоруд – перемички в улоговинах. Це досить надійний вид споруд, здатний протистояти без руйнування стоку 10% забезпеченості з водозбору довжиною до 1200 м.
6. Причиною недостатньої надійності ГС може стати їх низька сумісність з природним ландшафтом. Для її підвищення необхідно ширше використовувати процеси, притаманні як природним так і штучним ландшафтам, а саме – здатність рослинності закріплювати крутосхили, ЕАП, механіко-технологічну ерозію та інші, підпорядковуючи елементи агротехніки завданню підтримання поперечного профілю споруд. Ці принципи найкраще реалізовані в залужених перемичках в улоговинах, у валах-терасах з крутим залуженим низовим укосом та в деяких інших ЗПД.
7. Улоговини вносять істотні зміни в пересування водних мас по поверхні схилу. Реальна довжина шляху води в дрібнострумінному стані при наявності улоговин не відповідає загальній довжині схилу і найбільшою мірою залежить від ширини улоговин та їхньої глибини. Інтегруючим показником є крутість схилів улоговин до їх тальвегу. Тому при розміщенні лінійних рубежів більш ніж через 250-300 м 60-100% поверхневого стоку досягає цих рубежів у концентрованому стані по дну улоговини. Загальна довжина схилу не є фактором схилової (дрібнострумінної) ерозії у безпосередньому вигляді, а впливає на її інтенсивність через параметри улоговинної мережі. Саме в цьому є пояснення існуючих суперечностей у поглядах щодо впливу довжини схилу на еродованість земель.
8. Найбільш небезпечним видом ерозії на довгих схилах є руслова ерозія вздовж тальвегів улоговин. Розмір втрат грунту від неї, як і від схилової ерозії, залежить від довжини та крутості схилу, але пов'язаний ще з вторинним похилом водозборів улоговин до їх тальвегу, а також, з розчленованістю водозбору улоговинами та його формою в поперечному напрямку. Розроблені математичні моделі дозволяють більш достовірно оцінювати ерозійну небезпеку схилових земель, порівнювати дані по змиву грунту, отримані в умовах водозборів з різними геоморфологічними особливостями, та прогнозувати грунтозахисну ефективність ГС в залежності від їхньої конструкції, розмірів та розміщення на схилових землях.
9. Улоговини в агроландшафті є каналами, по яким відбувається енерго- та масоперенос від вододілу до гідрографічної мережі. Це спрощує задачу визначення оптимальної послідовності впровадження протиерозійних заходів, яке має розпочинатися з заходів, що сприяють запобіганню виносу грунту саме з улоговин – їх залуження та побудови найпростіших гідротехнічних споруд.
При розміщенні заходів постійної дії та залужених водотоків на схилових землях необхідно враховувати особливості улоговинної мережі та їх поперечну зональність, обумовлену належністю до тієї чи іншої частини водозборів улоговин. Розроблені математичні моделі дозволяють із задовільною точністю визначати параметри поперечного профілю улоговин в залежності від довжини та крутості схилу, його поперечної форми, гранулометричного складу грунту, підстилаючих порід, експозиції схилу.
10. Улоговини вносять істотну нерівномірність у розподіл потужності гумусованого шару. На дні улоговин глибина грунтового профілю збільшується в залежності від глибини улоговин та зменшується при зростанні крутості тальвегу. Це свідчить про те, що, незважаючи на більш активний ерозійний процес уздовж тальвегів улоговин, втрати грунту компенсуються його надходженням зі схилів та водозбору улоговини внаслідок схилової та механіко-технологічної ерозії. Тальвеги улоговин є місцевими базисами ерозії, поглиблення яких внаслідок розмиву викликає активізацію двох вищеназваних процесів і веде до деградації грунтового покриву на всьому водозборі улоговини.
11. Одним з найбільш уразливих місць в агроландшафті є польові дороги, особливо на верхніх узліссях лісосмуг. Розроблені математичні моделі дозволяють оцінювати їхню ерозійну небезпечність. Щоб запобігти значному ушкодженню доріг, треба розміщувати їх з найменшим похилом та уникати значного навантаження водозбірною площею. Вирішення цієї задачі можливе лише в умовах контурно-меліоративної організації території та використання додаткових стокорегулюючих заходів постійної дії між основними лісосмугами. Для захисту допоміжних – вздовжсхилових лісових смуг необхідно уникати підведення до них стоку, затриманого поперечносхиловими рубежами, та використовувати розпилювачі стоку на польових дорогах.
12. Лісові смуги забезпечують меліоративний захист територій на відстань до 6-7 їх висот уверх та 11–13 висот униз. В системі лісових смуг та гідротехнічних споруд зберігається до 90 % снігової вологи, а на відкритих масивах - до 60 %. В результаті додатково накопичується в середньому 31,6 мм вологи. Прибавка урожаю в зоні меліоративного впливу дорівнює 5-6 ц к.од./га.
Накопичення значної маси снігу в шлейфовій зоні та його нерівномірне танення іноді приводить до струмінної ерозії внаслідок стікання води від шлейфів, що тануть, по відкритому талому грунту. Тому дуже важливе значення мають оптимальні ажурність і відстань між лісовими смугами , додаткові заходи щодо регулювання сніговідкладення та поверхневого стоку між лісовими смугами – використання рослинних куліс та найпростіших земляних споруд.
13. Повне зарегулювання середньобагаторічного поверхневого стоку в агроландшафті за допомогою заходів постійної дії є практично неможливим, бо вимагає розрахунку рубежів на зарегулювання стоку із забезпеченістю, що наближається до 0%, тобто надзвичайно великого. В екстремальні роки навіть у досконалій системі лінійних рубежів неминуче виникатимуть втрати грунту вище допустимого рівня. Але є реальним стримувати середньобагаторічний змив грунту в допустимих межах з допомогою лінійних рубежів при розрахунку їх розмірів та відстані між ними з допомогою алгоритму, розробленого нами на основі метода Г.П.Сурмача. Існуючий принцип розрахунку лінійних рубежів на зарегулювання стоку 10% забезпеченості не завжди є економічно доцільним. Оптимальна розрахункова забезпеченість стоку залежить від припустимого рівня втрат грунту, умов рельєфу та грунту, середньобагаторічного шару стоку, типу та розмірів гідроспоруд, похилу їх трас та інших факторів, які дозволяє врахувати розроблений нами алгоритм.
14. Питомі витрати на створення ЗПД в системі грунтозахисного землеробства можна понизити за рахунок оптимізації структури посівних площ та агротехнологій, які забезпечують скорочення періодів розпушеного стану грунту в період зливової активності.
15. Використання грунтоохоронних засобів постійної дії в агроландшафтах забезпечує не тільки виробничий ефект за рахунок прибавки урожаю, але й значний екологічний ефект і є економічно вигідним.
| 
